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摘要： 本文首先给出了GPS的基本构成及工作原理，接着重点讨论了LAAS（局域增强系统）的组成，最后基于LAAS系统，分析了其在民用飞机精密进场着陆中的应用。
关键词： GPS LAAS 飞机 精密着陆
1.前言
随着GPS的投入使用，航空导航领域发生了重大变化。特别是近几年来，随着LAAS即GPS局域增强系统的投入使用，飞机在航路导航、终端导航、进近、零能见度自动着陆、跑道滑行等五个阶段的导航全面实现GPS化。LAAS系统主要是提供精密进近服务的地基增强系统，是美国联邦航空管理局建立的，用来实现飞机Ⅱ级和Ⅲ级的精密进近着陆。本文根据GPS工作原理探讨LAAS系统及其在民用飞机精密进场着陆中的应用。
2.GPS基本构成及工作原理
GPS系统包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机。
（1）空间部分——GPS卫星星座
GPS卫星星座由24颗卫星组成，其中21颗工作卫星、3颗备用卫星，均匀分布在6个地心轨道平面内，每个轨道4颗卫星。卫星轨道平面相对地球赤道面的倾角为55度，各个轨道平面的升交点赤经相差60度，轨道平均高度20200千米，卫星运行周期为11小时58分（恒星时），同一轨道上各卫星的升交角距为90度。GPS卫星的上述时空配置，保证了地球上的任何地点，在任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星，以满足精密导航和定位的需要。
（2）地面控制部分——地面监控系统
GPS工作卫星的地面监控系统目前主要由分布在全球的一个主控站、三个信息注入站和五个监测站组成。对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。卫星的位置是依据卫星发射的星历，即描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准——GPS时间系统。
（3）用户设备部分——GPS信号接收机
GPS系统的用户设备部分由GPS接收机硬件和相应的数据处理软件及微处理机及其终端设备组成。GPS接收机硬件包括接收机主机、天线和电源，它的主要功能是接收GPS卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息及观测量，并经简单数据处理而实现实时导航和定位。GPS软件是指各种机内软件、后处理软件、具有差分定位功能或PTK定位功能的实时处理软件，它们通常由厂家提供，其主要作用是对观测数据进行加工，以便获得比较精密的定位结果。由于GPS用户的要求不同，GPS接收机也有许多不同的类型，一般可分为导航型、测量型和授时型三类。
GPS卫星的三个基本功能是：
① 执行地面监控站的指令，接收和储存由地面监控站发来的导航信息。
② 向GPS用户播送导航电文，提供导航和定位信息。
③ 通过高精度卫星钟（铯钟和铷钟）向用户提供精密的时间标准。
3.LAAS系统的组成
服务于民用航空应用的LAAS即GPS局域增强系统，基本组成包括GPS卫星、机场伪卫星（APL）、地面参考站、中心处理站、VHF数据链和飞机用户。
LAAS系统的作用距离一般为56千米左右，其地面基准站也较少，一般用四个地面基准站。LAAS系统采用GPS载波相位测量、伪距测量或载波相位测量平滑法以及伪卫星提高站星距离测量精度。
（1）机场伪卫星
服务于机场精密进近的伪卫星称为机场伪卫星（APL）,它的引入是局域差分GPS的最主要改进。机场伪卫星是基于地面的信号发射器，能发射与GPS相同的信号。设置机场伪卫星的目的是要提供附加的伪距信号以增强定位解的几何结构，提供导航可用性，同时也增加了用户可观察卫星的数量，提高系统完善性，满足进近过程中飞机获取垂直精度的要求。
（2）地面参考站
地面参考站负责获得伪距或载波相位观测量，并且对来自GPS卫星和APL的导航电文进行解码。地面参考站的GPS接收机应有分米级以上的伪距精度，以减少用户最后进行差分定位的误差。接收和解码应重复执行2—4次，这取决于精密进近类别及可用性需求。地面参考站的数量决定于精密进近类型及可用性需要，至少应有两个参考地面站，以使它们产生的改正数能被比较和平均，为支持Ⅱ、Ⅲ类精密进近的连续性需求，则至少需要三个以上的地面参考站，以排除误差较大的地面参考站，减少系统的误差，增加可用性。
（3）中心处理站
中心处理站接收各参考站传输来的观测数据，经统一处理后，送到数据链路。中心处理站负责确保伪距和载波差分改正数不会包含危险的导航误差信息。
首先进行信号质量检测，即检测由于参考站和用户不同的接收机处理技术引起的不能通过差分改正数消除的GPS卫星和伪卫星信号异常；其次进行电文数据检查，即检查是否所有参考站接受了相同的数据，并比较当前星历数据与以前的一致性；最后观测质量检测，即检测伪距和载波相位观测数据是否有较大误差，如伪距突变等。处理工作包括计算并组合来自每个接受机的差分改正数及卫星空间信号的完善性，执行关键参数的质量统计，检验广播给用户的数据正确性。改正数观测误差值通过多参考站一致性检查得到，并与限值进行比较以检测和排除有较大误差影响的观测站。
（4）VHF数据链
数据广播通过甚高频（VHF）波段，按一定格式对数据进行编码和广播。广播的信息内容包括伪距观测量改正数，系统完善性参数，地面站、卫星星座和APL的可用状态信息。其应有完善性保证功能，能自主监测数据发射前后的正确性。
（5）航空用户
航空用户的主要设备包括信号接受器、用户处理器和导航控制器。信号接收器不仅接收来自GPS的信号，还要接收来自伪卫星的信号和地面站广播的差分改正及完善性信息。用户处理器先对完善性信息进行判断，然后对GPS观测数据和差分改正数据进行差分定位计算，确定进近航迹，判断垂直及水平导航定位误差是否超限。导航控制器主要用来控制及显示导航参数，并与自动驾驶仪连结后实现Ⅲ类精密进近所需的自动进近、着陆和滑行。
4.LAAS在飞机精密进场着陆中的应用
飞机的进场着陆阶段是飞机航行的最后阶段，也是整个飞行过程中事关安全的最关键阶段，因此，对着陆系统不仅有精度上的要求，而且在完善性、连续性和可用性方面也有严格的要求。为了确保飞机安全准确地着陆，在飞机精密进场着陆过程中，要求辅助着陆设备和机载导航设备，在水平和垂直方面同时对飞机进行精密引导。图1表示飞机进场着陆的轨迹剖面图。
简要说来，进场着陆可分三个阶段：①过渡阶段，即飞机由巡航高度到达固定高度（高度保持不变）阶段。②下滑阶段，由固定高度开始，沿倾斜角约为30度的下滑道降速飞行，一直稳定飞行到决断高度（又称复飞点，此处决定拉平着陆或是复飞）。根据进场的类别，决断高度又分3种（见表1）。③拉平阶段，由决断高度开始直到飞机着地点的下滑平飞阶段。
在对飞机精密引导进场着陆过程中，对着陆系统不仅有精度上的要求，而且在完善性、连续性和可用性上也有严格的要求。国际民航组织（ICAO）根据引导标准的不同将进场着陆标准划分为三级：Ⅰ级（CATⅠ）、Ⅱ级（CATⅡ）和 Ⅲ级（CATⅢ）。在表1中列出了精密进场着陆的各级水平、垂直精度要求和完善性、可用性、连续性指标。LAAS系统在机场附近半径为50千米的范围内广播DGPS修正数据和其它导航相关信息。LAAS利用载波平滑技术提供精确的定位服务。在飞机最后进近和控制阶段，水平精度优于1米，垂直精度高达0.46米，达到Ⅲ类B的标准，完全能实现CATⅠ、Ⅱ、Ⅲ精密进近和着陆服务。
5.结语
LAAS系统能够满足飞机进场着陆的要求，精确度高。它克服了仪表着陆系统和微波着陆系统的缺点，可以在任意方向进场，向任意多的跑道提供任何形式的下滑道，其发展前景是十分可观的。目前许多国家都在积极开展LAAS系统引导飞机进场着陆的研究。
参考文献：
［1］张勤，李家权.GPS测量原理及应用［M］.北京:科学出版社，2005.
［2］王惠南.GPS导航原理与应用［M］.北京:科学出版社，2003.
［3］刘路.GPS局域增强系统作为精密进近手段的分析［J］.空中交通管理，2005，5.
［4］Satellite Operational Implementation Team.LAAS Concept of Operations.Nov 17，1999.
关键词： GPS LAAS 飞机 精密着陆
1.前言
随着GPS的投入使用，航空导航领域发生了重大变化。特别是近几年来，随着LAAS即GPS局域增强系统的投入使用，飞机在航路导航、终端导航、进近、零能见度自动着陆、跑道滑行等五个阶段的导航全面实现GPS化。LAAS系统主要是提供精密进近服务的地基增强系统，是美国联邦航空管理局建立的，用来实现飞机Ⅱ级和Ⅲ级的精密进近着陆。本文根据GPS工作原理探讨LAAS系统及其在民用飞机精密进场着陆中的应用。
2.GPS基本构成及工作原理
GPS系统包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机。
（1）空间部分——GPS卫星星座
GPS卫星星座由24颗卫星组成，其中21颗工作卫星、3颗备用卫星，均匀分布在6个地心轨道平面内，每个轨道4颗卫星。卫星轨道平面相对地球赤道面的倾角为55度，各个轨道平面的升交点赤经相差60度，轨道平均高度20200千米，卫星运行周期为11小时58分（恒星时），同一轨道上各卫星的升交角距为90度。GPS卫星的上述时空配置，保证了地球上的任何地点，在任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星，以满足精密导航和定位的需要。
（2）地面控制部分——地面监控系统
GPS工作卫星的地面监控系统目前主要由分布在全球的一个主控站、三个信息注入站和五个监测站组成。对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。卫星的位置是依据卫星发射的星历，即描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准——GPS时间系统。
（3）用户设备部分——GPS信号接收机
GPS系统的用户设备部分由GPS接收机硬件和相应的数据处理软件及微处理机及其终端设备组成。GPS接收机硬件包括接收机主机、天线和电源，它的主要功能是接收GPS卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息及观测量，并经简单数据处理而实现实时导航和定位。GPS软件是指各种机内软件、后处理软件、具有差分定位功能或PTK定位功能的实时处理软件，它们通常由厂家提供，其主要作用是对观测数据进行加工，以便获得比较精密的定位结果。由于GPS用户的要求不同，GPS接收机也有许多不同的类型，一般可分为导航型、测量型和授时型三类。
GPS卫星的三个基本功能是：
① 执行地面监控站的指令，接收和储存由地面监控站发来的导航信息。
② 向GPS用户播送导航电文，提供导航和定位信息。
③ 通过高精度卫星钟（铯钟和铷钟）向用户提供精密的时间标准。
3.LAAS系统的组成
服务于民用航空应用的LAAS即GPS局域增强系统，基本组成包括GPS卫星、机场伪卫星（APL）、地面参考站、中心处理站、VHF数据链和飞机用户。
LAAS系统的作用距离一般为56千米左右，其地面基准站也较少，一般用四个地面基准站。LAAS系统采用GPS载波相位测量、伪距测量或载波相位测量平滑法以及伪卫星提高站星距离测量精度。
（1）机场伪卫星
服务于机场精密进近的伪卫星称为机场伪卫星（APL）,它的引入是局域差分GPS的最主要改进。机场伪卫星是基于地面的信号发射器，能发射与GPS相同的信号。设置机场伪卫星的目的是要提供附加的伪距信号以增强定位解的几何结构，提供导航可用性，同时也增加了用户可观察卫星的数量，提高系统完善性，满足进近过程中飞机获取垂直精度的要求。
（2）地面参考站
地面参考站负责获得伪距或载波相位观测量，并且对来自GPS卫星和APL的导航电文进行解码。地面参考站的GPS接收机应有分米级以上的伪距精度，以减少用户最后进行差分定位的误差。接收和解码应重复执行2—4次，这取决于精密进近类别及可用性需求。地面参考站的数量决定于精密进近类型及可用性需要，至少应有两个参考地面站，以使它们产生的改正数能被比较和平均，为支持Ⅱ、Ⅲ类精密进近的连续性需求，则至少需要三个以上的地面参考站，以排除误差较大的地面参考站，减少系统的误差，增加可用性。
（3）中心处理站
中心处理站接收各参考站传输来的观测数据，经统一处理后，送到数据链路。中心处理站负责确保伪距和载波差分改正数不会包含危险的导航误差信息。
首先进行信号质量检测，即检测由于参考站和用户不同的接收机处理技术引起的不能通过差分改正数消除的GPS卫星和伪卫星信号异常；其次进行电文数据检查，即检查是否所有参考站接受了相同的数据，并比较当前星历数据与以前的一致性；最后观测质量检测，即检测伪距和载波相位观测数据是否有较大误差，如伪距突变等。处理工作包括计算并组合来自每个接受机的差分改正数及卫星空间信号的完善性，执行关键参数的质量统计，检验广播给用户的数据正确性。改正数观测误差值通过多参考站一致性检查得到，并与限值进行比较以检测和排除有较大误差影响的观测站。
（4）VHF数据链
数据广播通过甚高频（VHF）波段，按一定格式对数据进行编码和广播。广播的信息内容包括伪距观测量改正数，系统完善性参数，地面站、卫星星座和APL的可用状态信息。其应有完善性保证功能，能自主监测数据发射前后的正确性。
（5）航空用户
航空用户的主要设备包括信号接受器、用户处理器和导航控制器。信号接收器不仅接收来自GPS的信号，还要接收来自伪卫星的信号和地面站广播的差分改正及完善性信息。用户处理器先对完善性信息进行判断，然后对GPS观测数据和差分改正数据进行差分定位计算，确定进近航迹，判断垂直及水平导航定位误差是否超限。导航控制器主要用来控制及显示导航参数，并与自动驾驶仪连结后实现Ⅲ类精密进近所需的自动进近、着陆和滑行。
4.LAAS在飞机精密进场着陆中的应用
飞机的进场着陆阶段是飞机航行的最后阶段，也是整个飞行过程中事关安全的最关键阶段，因此，对着陆系统不仅有精度上的要求，而且在完善性、连续性和可用性方面也有严格的要求。为了确保飞机安全准确地着陆，在飞机精密进场着陆过程中，要求辅助着陆设备和机载导航设备，在水平和垂直方面同时对飞机进行精密引导。图1表示飞机进场着陆的轨迹剖面图。
简要说来，进场着陆可分三个阶段：①过渡阶段，即飞机由巡航高度到达固定高度（高度保持不变）阶段。②下滑阶段，由固定高度开始，沿倾斜角约为30度的下滑道降速飞行，一直稳定飞行到决断高度（又称复飞点，此处决定拉平着陆或是复飞）。根据进场的类别，决断高度又分3种（见表1）。③拉平阶段，由决断高度开始直到飞机着地点的下滑平飞阶段。
在对飞机精密引导进场着陆过程中，对着陆系统不仅有精度上的要求，而且在完善性、连续性和可用性上也有严格的要求。国际民航组织（ICAO）根据引导标准的不同将进场着陆标准划分为三级：Ⅰ级（CATⅠ）、Ⅱ级（CATⅡ）和 Ⅲ级（CATⅢ）。在表1中列出了精密进场着陆的各级水平、垂直精度要求和完善性、可用性、连续性指标。LAAS系统在机场附近半径为50千米的范围内广播DGPS修正数据和其它导航相关信息。LAAS利用载波平滑技术提供精确的定位服务。在飞机最后进近和控制阶段，水平精度优于1米，垂直精度高达0.46米，达到Ⅲ类B的标准，完全能实现CATⅠ、Ⅱ、Ⅲ精密进近和着陆服务。
5.结语
LAAS系统能够满足飞机进场着陆的要求，精确度高。它克服了仪表着陆系统和微波着陆系统的缺点，可以在任意方向进场，向任意多的跑道提供任何形式的下滑道，其发展前景是十分可观的。目前许多国家都在积极开展LAAS系统引导飞机进场着陆的研究。
参考文献：
［1］张勤，李家权.GPS测量原理及应用［M］.北京:科学出版社，2005.
［2］王惠南.GPS导航原理与应用［M］.北京:科学出版社，2003.
［3］刘路.GPS局域增强系统作为精密进近手段的分析［J］.空中交通管理，2005，5.
［4］Satellite Operational Implementation Team.LAAS Concept of Operations.Nov 17，1999.